T-Shirt statt Akku: Faserbasierter elektrochemischer Mikro-Superkondensator

19.01.2011 - USA

Schließen wir unser Handy vielleicht bald an unser T-Shirt an statt einen Akku einzulegen? Die Vorstellung ist gar nicht so abwegig, erste Schritte in diese Richtung sind gemacht. Ein Team um Zhong Lin Wang vom Georgia Institute of Technology (Atlanta, USA) und Jong Min Kim von Samsung Electronics in Südkorea stellt nun den Prototyp für einen flexiblen, in Textilien verarbeitbaren Stromspeicher vor. Wie die Wissenschaftler in der Zeitschrift Angewandte Chemie berichten, besteht dieser Superkondensator aus einer ganz speziellen Anordnung von Zinkoxid-Nanodrähten, die sie auf konventionelle Fasern aufwachsen lassen.

Obwohl immer kleinere, leichtere Bauteile entwickelt werden, sind die meisten Komponenten zur Energiegewinnung und -speicherung noch viel zu massig und schwer für zukünftige, weiter miniaturisierte elektronische Geräte. So genannte Superkondensatoren sind zwar als Stromspeicher eine interessante Alternative zu Batterien und Akkus, da sie praktisch unendlich oft und dazu extrem schnell aufgeladen werden können, dennoch sind herkömmliche Typen weder flexibel noch leicht genug.

Das Forscherteam hat nun den Prototyp eines hocheffizienten faserbasierten elektrochemischen Mikro-Superkondensators entwickelt, der mit Zinkoxid-Nanodrähten als Elektroden arbeitet. Träger der einen Elektrode ist ein flexibler, feiner Kunststoffdraht, Träger der zweiten eine Faser aus Kevlar. Kevlar ist das Material, aus dem beispielsweise kugelsichere Westen hergestellt werden. Auf beide Träger ließen die Forscher Zinkoxid-Nanodrähte aufwachsen. Zusätzliche Beschichtungen, etwa mit Gold und Manganoxid, können die Ladungsaufnahme weiter verbessern. Mithilfe von Pinzetten umwickelten sie die Kunststoffdrähte dann mit je einer Kevlarfaser. Die Anordnung muss dann in einen festen Gel-Elektrolyten eingebettet werden, der die beiden Elektroden separiert und für den notwendigen Ladungstransport sorgt. Ein Bündel aus solchen Fasern könnte zu einem Garn verarbeitet werden.

Zinkoxid hat gegenüber herkömmlichen Materialien für Superkondensatoren besondere Vorteile: es kann schon bei niedriger Temperatur (unterhalb 100 °C) auf jedes beliebige Trägermaterial in jeder Form aufwachsen und ist biokompatibel sowie umweltfreundlich.

Besonders interessant scheint ein Einsatz dieser neuen Stromspeichermedien in Kombination mit flexiblen Nanostromgeneratoren in Faserform, wie Wang und sein Team sie bereits entwickelt haben. Schon der Herzschlag des Trägers, Schritte oder ein leichter Wind reichen aus, um die darin enthaltenen piezoelektrischen Zinkoxid-Nanodrähtchen zu bewegen und aus deren Verformung Strom zu gewinnen.

In Form so genannter „Power Shirts“ könnten solche Systeme genügend Strom für elektronische Kleingeräte liefern, wie Handys oder auch kleine Sensoren, die z.B. Feuerwehrleute vor Giftstoffen warnen.